提高汽油机部分负荷效率的方法

1、文献来源：文献来源：energy conversion and management Volume 46,Issue 20,December 2005作者：作者：Osman Akin Kutlar 等等(伊斯坦布尔技术大学伊斯坦布尔技术大学) 文献报告文献报告报告人报告人 胡顺堂胡顺堂 报告内容报告内容1、文献摘要及介绍、文献摘要及介绍2、提高部分负荷效率的方法、提高部分负荷效率的方法 2.1 可变气门定时和可变气门升程可变气门定时和可变气门升程 2.2 可变压缩比可变压缩比 2.3 增压增压 2.4 分层稀薄燃烧分层稀薄燃烧 2.5 可变发动机排量（气缸休眠）可变发动机排量（气缸休眠） 2.

2、6 不同系统的组合不同系统的组合3、结论、结论1、文献摘要及介绍、文献摘要及介绍论文从节能降耗即降低论文从节能降耗即降低COCO2 2排放要求入手，简要介绍排放要求入手，简要介绍了各国燃油经济性法规的发展历程；并对理想气体奥了各国燃油经济性法规的发展历程；并对理想气体奥托循环、理想燃料奥托循环以及发动机实际循环的热托循环、理想燃料奥托循环以及发动机实际循环的热效率和损失进行了比较。效率和损失进行了比较。论文着重分析了传统节气门控制负荷汽油机部分负论文着重分析了传统节气门控制负荷汽油机部分负荷泵气损失增加对热效率的影响。荷泵气损失增加对热效率的影响。对提高汽油机部分负荷效率的几种方法做了综述。对

3、提高汽油机部分负荷效率的几种方法做了综述。 可变气门定时和可变气门升程可变气门定时和可变气门升程 可变压缩比可变压缩比增压增压分层稀薄燃烧分层稀薄燃烧可变发动机排量（气缸休眠）可变发动机排量（气缸休眠）不同系统的组合不同系统的组合1、文献摘要及介绍、文献摘要及介绍汽油机部分负荷效率降低的主要原因汽油机部分负荷效率降低的主要原因换气过程中由于节气门部分开启，节流损失增加，引换气过程中由于节气门部分开启，节流损失增加，引起泵气损失增加，（即起泵气损失增加，（即P-VP-V图上低压环面积增加）。图上低压环面积增加）。同时燃烧状况的恶化如燃烧速度降低同时燃烧状况的恶化如燃烧速度降低，循环波动增加，循环

4、波动增加等也会导致损失的增加，热效率降低等也会导致损失的增加，热效率降低。 节气门控制，不同负荷泵气损失变化和热效率变化。节气门控制，不同负荷泵气损失变化和热效率变化。单缸机试验结果单缸机试验结果：2000r/min2000r/min，IMEPnetIMEPnet从从6bar6bar降到降到1.5bar, 1.5bar, PMEPPMEP从从0.30.3增加到增加到0.7bar0.7bar，在，在IMEPnetIMEPnet中比例由中比例由5 5增加到增加到4646，净指示热效率从，净指示热效率从3535降到降到2727，总热效率在，总热效率在36363838之间，变化不大。之间，变化不大。1

5、、文献摘要及介绍、文献摘要及介绍许多汽车生产和研究机构开展了这方面的研究，主要目的许多汽车生产和研究机构开展了这方面的研究，主要目的是希望取消节气门或不论什么负荷，尽量有可能最大的开是希望取消节气门或不论什么负荷，尽量有可能最大的开度，以减少泵气损失。度，以减少泵气损失。提高汽油机部分负荷效率的主要方法有：提高汽油机部分负荷效率的主要方法有：1、文献摘要及介绍、文献摘要及介绍2、提高部分负荷效率的方法、提高部分负荷效率的方法2.1 2.1 可变气门定时和可变气门升程（可变气门定时和可变气门升程（VVTVVT和和VVL)VVL)通过进气门升程以及开闭时刻调整，使进气门早关或晚关通过进气门升程以及

6、开闭时刻调整，使进气门早关或晚关来控制负荷。（节气门全开，负荷不靠节气门控制）来控制负荷。（节气门全开，负荷不靠节气门控制）晚关策略晚关策略是通过进是通过进气门晚关，气门晚关，缸内气体缸内气体被回进气被回进气道，来调道，来调整负荷。整负荷。早关策略就早关策略就是采用小升是采用小升程，短持续程，短持续期型线，用期型线，用升程和关闭升程和关闭时刻限制进时刻限制进气量，从而气量，从而调整负荷。调整负荷。明显减少泵明显减少泵气损失，热气损失，热效率提高。效率提高。2.1 可变气门定时和可变气门升程（可变气门定时和可变气门升程（VVT和和VVL)其他负荷控制方法（其他负荷控制方法（SAE2000-01-

7、1227，R.Flierl,BMW)废气废气重吸重吸EGR进气进气早关早关废气废气重压重压EGR进气进气晚关晚关进气进气晚开晚开早关早关节气节气门控门控制制2.1 可变气门定时和可变气门升程（可变气门定时和可变气门升程（VVT和和VVL)采用上述进气门早关或晚关都能明显减少泵气损失，同采用上述进气门早关或晚关都能明显减少泵气损失，同时时PMEP/IMEPgross减小，提高了热效率，油耗降低。减小，提高了热效率，油耗降低。另一方面，排气门开启时刻也可以影响和提高热效率，另一方面，排气门开启时刻也可以影响和提高热效率，它主要通过影响膨胀功来实现。它主要通过影响膨胀功来实现。但是，采用但是，采用V

8、VT和和VVL来提高热效率降低油耗的潜力受来提高热效率降低油耗的潜力受有效压缩比减小有效压缩比减小的限制。的限制。另外，由于取消了节气门，进气道内气体压力较高，另外，由于取消了节气门，进气道内气体压力较高，燃燃油蒸发和混合变差油蒸发和混合变差。由于上述原因，在非常小的负荷情况下，由于有效压缩由于上述原因，在非常小的负荷情况下，由于有效压缩比减小，同时燃烧恶化（燃烧持续期长，循环波动大），比减小，同时燃烧恶化（燃烧持续期长，循环波动大），虽然泵气损失也降低，但限制了热效率的提高。虽然泵气损失也降低，但限制了热效率的提高。 VVT和和VVL在部分负荷在部分负荷节油一般节油一般5-15%。此数值与发

9、动。此数值与发动机本身以及所采用的测试循环有关。机本身以及所采用的测试循环有关。 BMW Valvetronic 节油效果：节油效果： n=4000r/min，BMEP=4bar，节油，节油6-10% n=3000r/min，BMEP=4bar，节油，节油8-10% n=2000r/min，BMEP=2bar，节油，节油12% 怠速，怠速， 节油节油20-25% 采用欧洲测试循环，采用欧洲测试循环， 节油节油11-14%2.1 可变气门定时和可变气门升程（可变气门定时和可变气门升程（VVT和和VVL) 汽油机的压缩比受到满负荷时最大允许机械负荷以及汽油机的压缩比受到满负荷时最大允许机械负荷以及

10、汽油机爆震的限制不能太高，这限制了汽油机热效率。汽油机爆震的限制不能太高，这限制了汽油机热效率。 在发动机低负荷时，机械负荷离最大允许负荷相差很在发动机低负荷时，机械负荷离最大允许负荷相差很远，提高热效率还有很大的潜力。远，提高热效率还有很大的潜力。 因此在部分负荷可以通过增加压缩比，可以因此在部分负荷可以通过增加压缩比，可以改善燃烧改善燃烧质量，提高热效率质量，提高热效率，同时也不易爆燃。，同时也不易爆燃。2.2 可变压缩比可变压缩比根据转速负根据转速负荷变化来调荷变化来调整压缩比，整压缩比，实现最小的实现最小的油耗。高速油耗。高速小负荷，可小负荷，可以选择较高以选择较高的压缩比。的压缩比。

11、但是，可变压缩比不能直接用来控制负荷，也就是不能象但是，可变压缩比不能直接用来控制负荷，也就是不能象VVT/VVL一样来减少泵气损失，在相同净一样来减少泵气损失，在相同净IMEP条件下，条件下，与固定压缩比相比，必然要关小节气门少进气，因此泵气与固定压缩比相比，必然要关小节气门少进气，因此泵气损失会增加。限制了热效率的进一步提高。损失会增加。限制了热效率的进一步提高。 为进一步提高热效率，可以为进一步提高热效率，可以结合结合VVT/VVL以及稀薄燃烧以及稀薄燃烧等方法来降低泵气损失。等方法来降低泵气损失。采用可变压缩比可以实现采用可变压缩比可以实现节油节油3-10%。应用中压缩比限制。应用中压

12、缩比限制在在=15以下（受热损失和摩擦损失增加限制）以下（受热损失和摩擦损失增加限制）2.2 可变压缩比可变压缩比 采用废气涡轮增压，能利用废气能量增加进气压力，可以采用废气涡轮增压，能利用废气能量增加进气压力，可以补偿泵气损失。补偿泵气损失。 但在大负荷会面临爆燃的问题，因此一般增压汽油机机压但在大负荷会面临爆燃的问题，因此一般增压汽油机机压缩比较自然吸气汽油机要低一些。缩比较自然吸气汽油机要低一些。 增压的好处在于用小的排量和质量就可以输出大的功率，增压的好处在于用小的排量和质量就可以输出大的功率，有利于发动机轻量化，便于车辆总布置。在部分负荷可以有利于发动机轻量化，便于车辆总布置。在部分

13、负荷可以提高燃油经济性。提高燃油经济性。 在相同负荷点，小型增压汽油机轻量化后机械效率高，在相同负荷点，小型增压汽油机轻量化后机械效率高，PMEP/IMEP(总）降低，热效率高。可以节油总）降低，热效率高。可以节油310。2.3 汽油机增压汽油机增压 分层充气稀薄燃烧的主要思想分层充气稀薄燃烧的主要思想是在火花塞附近提供浓的混合是在火花塞附近提供浓的混合气（气（12：1），以稳定可靠着火，），以稳定可靠着火，而在大部分燃烧室空间分布的而在大部分燃烧室空间分布的是非常稀的混合气（是非常稀的混合气（25：1）。）。这就意味着在部分负荷就可以这就意味着在部分负荷就可以用较大的节气门开度，能明显用较大

14、的节气门开度，能明显减少泵气损失，而且膨胀过程减少泵气损失，而且膨胀过程平均多边指数较高，热效率提平均多边指数较高，热效率提高，油耗改善。高，油耗改善。节油节油1728。2.4 分层稀燃汽油机分层稀燃汽油机由于稀燃抑制了爆燃的产生，可以采用较高的压缩比。由于稀燃抑制了爆燃的产生，可以采用较高的压缩比。大众大众FSI（燃油分层喷射）技术（燃油分层喷射）技术FSI特点是：能够降低泵吸损失，在低负荷时确保低油耗，但特点是：能够降低泵吸损失，在低负荷时确保低油耗，但需要需要增加特殊催化转换器增加特殊催化转换器以有效净化处理排放气体。以有效净化处理排放气体。 2.4 分层稀燃汽油机分层稀燃汽油机2.4

15、分层稀燃汽油机分层稀燃汽油机三菱三菱GDI可令混合比达到可令混合比达到40:1。它采用立式。它采用立式吸气口方式，从气缸盖的吸气口方式，从气缸盖的上方吸气上方吸气的独特方式产生强大的的独特方式产生强大的下沉气流下沉气流。这种下沉气流在弯曲顶面活塞附近这种下沉气流在弯曲顶面活塞附近得到加强并在气缸内形成得到加强并在气缸内形成纵向涡旋纵向涡旋转流转流。在。在高压旋转喷注器高压旋转喷注器的作用下，的作用下，压缩过程后期被直接喷注进气缸内压缩过程后期被直接喷注进气缸内的燃料形成浓密的喷雾，喷雾在弯的燃料形成浓密的喷雾，喷雾在弯曲顶面活塞的顶面空间中不是扩散曲顶面活塞的顶面空间中不是扩散而是气化。而是气

16、化。这种混和气被纵向涡旋转流带到火花塞附近，在这种混和气被纵向涡旋转流带到火花塞附近，在火花塞四周形火花塞四周形成较浓的层状混和状态成较浓的层状混和状态。虽然从燃烧室整体来看十分稀薄，但。虽然从燃烧室整体来看十分稀薄，但由于呈现从浓厚到稀薄的层状分布，因此能保证点火并实现稳由于呈现从浓厚到稀薄的层状分布，因此能保证点火并实现稳定燃烧。定燃烧。 基本思想：在部分负荷，有选择的停止某些气缸的工作，来减基本思想：在部分负荷，有选择的停止某些气缸的工作，来减少发动机工作容积，来控制进气量。（不是靠节气门控制）少发动机工作容积，来控制进气量。（不是靠节气门控制）与节气门控制相比，在各缸总与节气门控制相比

17、，在各缸总IMEPnet相同情况下，单个工作相同情况下，单个工作气缸的气缸的IMEPnet增加，泵气损失减少，热效率改善，油耗降低。增加，泵气损失减少，热效率改善，油耗降低。 2.5 可变排量（气缸休眠）可变排量（气缸休眠）实现手段：实现手段：一是切断某缸供油，使它休眠。一是切断某缸供油，使它休眠。二是关闭某缸的气门，使它停止工作。一般通过可变气二是关闭某缸的气门，使它停止工作。一般通过可变气门执行机构实现。门执行机构实现。后者对减少泵气损失更有利。后者对减少泵气损失更有利。报告的节油效果报告的节油效果726。实际使用受工作粗暴、振动和噪音限制。实际使用受工作粗暴、振动和噪音限制。2.5 可变

18、排量可变排量2.6可控自燃（可控自燃（CAI）低温燃烧技术）低温燃烧技术CAI燃烧可以被描述为燃料、空气及缸内再循燃烧可以被描述为燃料、空气及缸内再循环燃烧产物所形成的均质混合气在压缩上止点环燃烧产物所形成的均质混合气在压缩上止点附近达到着火条件而多点自燃着火、低温燃烧附近达到着火条件而多点自燃着火、低温燃烧放热做功的过程。如图放热做功的过程。如图1-1所示。所示。图1-1 HCCI燃烧过程（美国西南研究院）其基本特征是均质、压燃和低温火焰燃烧，因此，其基本特征是均质、压燃和低温火焰燃烧，因此，HCCI也可以被认为火花点燃（也可以被认为火花点燃（SI）和压缩着火（）和压缩着火（CI）的混合燃烧

19、模式。在发动机汽缸内，均质混合气同时的混合燃烧模式。在发动机汽缸内，均质混合气同时自燃着火，没有像自燃着火，没有像SI燃烧时火焰传播的过程，燃烧持燃烧时火焰传播的过程，燃烧持续期短，放热集中。由于发动机汽缸中的可燃混合气续期短，放热集中。由于发动机汽缸中的可燃混合气是同时燃烧，为了使燃烧速率和压升率不至于过高，是同时燃烧，为了使燃烧速率和压升率不至于过高，可燃混合气需要大量稀释。目前主要使用过量空气和可燃混合气需要大量稀释。目前主要使用过量空气和废气再循环（废气再循环（EGR）实现对可燃混合气的稀释，但即）实现对可燃混合气的稀释，但即使这样，使这样，HCCI的燃烧持续期比的燃烧持续期比SI和和CI燃烧的持续期也燃烧的持续期也要短。更接近于定容燃烧，因而其经济性较好图要短。更接近于定容燃烧，因而其经济性较好